Ao longo dos séculos, cientistas buscaram compreender e mensurar com precisão, em humanos e outros animais, a dinâmica dos gases metabólicos para estimar o gasto energético corporal. Antes de ser guilhotinado durante a Revolução Francesa, em 1794, Antoine Lavoisier — cientista francês considerado o “pai da química moderna” — já observava em experimentos com animais, uma relação direta entre o calor produzido, a utilização de oxigênio (O₂) e a produção de dióxido de carbono (CO₂). A partir dessas observações, também decidiu iniciar estudos pioneiros para registrar o consumo de oxigênio em humanos locomovendo-se em esteiras.
Em 1780, Lavoisier e Laplace publicaram a descrição do calorímetro de gelo, no qual animais eram colocados em um compartimento fechado e refrigerado com gelo, permitindo estimar a produção de calor pela quantidade de água resultante do derretimento. Lavoisier não apenas concebeu o primeiro calorímetro direto, mas também lançou as bases da calorimetria indireta. Ao afirmar que “respirar nada mais é do que uma combustão lenta de carbono e hidrogênio, semelhante em todos os aspectos à que ocorre em uma lamparina ou vela acesa e, sob esse ponto de vista, os animais que respiram são, de fato, corpos combustíveis que queimam e consomem”, estabeleceu a analogia entre a produção de calor em organismos vivos e a reação química de combustão, ainda que esta última ocorra de forma muito mais lenta no corpo.
Quase um século depois, em 1862, Max von Pettenkofer construiu o primeiro calorímetro indireto de circuito aberto, canalizando o ar expirado através de câmaras para medir o conteúdo de O₂ e CO₂, bem como suas variações durante o esforço físico. Com este método, demonstrou que o metabolismo humano podia ser quantificado em termos da oxidação de proteínas, carboidratos e gorduras. Essa abordagem possibilitou calcular o gasto energético a partir das trocas gasosas, incluindo a contribuição variável da produção de CO₂ e a correção para as perdas energéticas associadas a compostos nitrogenados excretados na urina.
O sucesso dessa metodologia motivou fisiologistas a medir o metabolismo de trabalhadores industriais e atletas, direcionando o ar expirado para grandes bolsas de lona, que permitiam mensurar o volume e realizar análises químicas subsequentes para determinação do consumo de oxigênio em diferentes condições. Em 1911, a introdução do uso de bolsas de 50 litros revestidas com borracha vulcanizada representou um marco. Essa técnica, conhecida posteriormente como método do “Saco de Douglas”, rapidamente ganhou popularidade e foi aplicada em estudos com ciclistas, canoístas e até exploradores do Monte Everest. A partir desses dados, estabeleceram-se conceitos fundamentais da fisiologia do exercício, como o consumo máximo de oxigênio (VO₂máx) e a dívida de oxigênio.
Apesar dos avanços, logo se identificaram limitações na coleta de gases em sacos: número restrito de unidades disponíveis, análises demoradas e laboriosas, e a necessidade de habilidade técnica para manipular vidrarias, mercúrio e soluções químicas, mesmo com o auxílio de equipamentos semiprotáteis desenvolvidos por John Haldane (1860–1936). Em média, a análise de gases expirados demandava 30 minutos ou mais.
Embora Douglas defendesse que a aplicação de técnica adequada eliminaria erros, o método surgiu em um período em que a validade e a confiabilidade das medições não eram formalmente avaliadas. Ainda assim, o “Saco de Douglas” consolidou-se como método de elevada fidedignidade e, durante décadas, foi considerado o padrão-ouro para análise de gases metabólicos.
Nos primeiros 70 anos de sua história, a técnica contribuiu decisivamente para o entendimento moderno da fisiologia do exercício. Posteriormente, foi substituída em muitas aplicações por sistemas de circuito aberto com medições contínuas, adequados tanto para laboratórios quanto para ambientes de campo. Mesmo assim, o “Saco de Douglas” ainda é referência para validação de métodos alternativos.
Em 1955, Shephard já apontava diversos erros associados à técnica, destacando que perdas significativas de gases podiam ocorrer devido ao manuseio inadequado, sendo possíveis de minimizar com procedimentos padronizados. A perda seletiva de CO₂, porém, era mais difícil de controlar e podia ocorrer mesmo com técnica correta. A difusão por poros moleculares seguia uma taxa proporcional ao gradiente de pressão parcial e à área da superfície, afetando não apenas o CO₂, mas também outros gases, cada um com sua difusão característica. Os coeficientes de difusão apresentavam relação aproximada de 10:2:1 para CO₂, O₂ e N₂, compatível com a solubilidade desses gases na borracha. O volume de enchimento também influenciava a precisão: para minimizar erros, a bolsa deveria ser preenchida quase totalmente, pois em apenas 15 minutos de armazenamento parcial já poderia haver erro de 1% na estimativa da produção de CO₂. Por fim, alterações no design ou nas condições de armazenamento mostravam pouco efeito, já que o problema central estava na solubilidade da borracha para gases respiratórios, exigindo a busca por materiais ou revestimentos mais adequados.
Paralelo histórico e avanços tecnológicos.
A trajetória que se inicia com o calorímetro de gelo de Lavoisier, passa pelo calorímetro indireto de Pettenkofer e culmina no método do “Saco de Douglas” evidencia a engenhosidade científica necessária para medir trocas gasosas humanas em condições experimentais desafiadoras. Esses dispositivos pioneiros exigiam infraestrutura volumosa, tempo prolongado para análises e alto grau de habilidade técnica.
Hoje, graças aos avanços da engenharia de sensores, da microeletrônica e dos algoritmos de análise em tempo real, é possível realizar medições de VO₂, VCO₂ e gasto energético com dispositivos portáteis e leves, mantendo alta validade e confiabilidade. Equipamentos como o VO₂ Master Pro incorporam tecnologia de análise de gases em formato compacto e permitindo a coleta de dados em qualquer ambiente, de clínicas e laboratórios a campos e percursos de competição.
Enquanto no passado cada medição representava um esforço logístico e analítico de horas, atualmente um atleta pode ter seu perfil metabólico registrado em tempo real durante o próprio treino ou prova, com dados imediatamente disponíveis para interpretação. Essa transição dos volumosos sacos de lona para sistemas vestíveis de alta precisão ilustra não apenas o avanço da tecnologia, mas também o impacto profundo que a inovação exerce sobre a ciência do esporte e o monitoramento fisiológico.
Referências:
Macfarlane DJ. Open-circuit respirometry: a historical review of portable gas analysis systems. Eur J Appl Physiol. 2017 Dec;117(12):2369-2386.
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Shephard RJ, Aoyagi Y. Measurement of human energy expenditure, with particular reference to field studies: an historical perspective. Eur J Appl Physiol. 2012 Aug;112(8):2785-815.
Shephard RJ. Open-circuit respirometry: a brief historical review of the use of Douglas bags and chemical analyzers. Eur J Appl Physiol. 2017 Mar;117(3):381-387.